Elettronica Di Potenza

Elettronica Di Potenza

Un componente elettronico di potenza è un dispositivo statico a semiconduttore che è in grado di gestire, attraverso deboli segnali di comando, elevate potenze di uscita.

Evoluzione e tipologia dei componenti elettronici di potenza per applicazioni industriali

Fino agli anni ‘60, per il comando di carichi di potenza, venivano utilizzati componenti elettromeccanici (relè, contattori, ecc…) i quali si usuravano facilmente, erano limitati dal punto di vista della frequenza di commutazione ed esigevano una manutenzione continua.

A questi limiti si è ovviato con l’introduzione di dispositivi statici, a semiconduttore: questi non hanno organi elettromeccanici in movimento, non hanno bisogno di manutenzione, non si usurano e hanno una risposta in frequenza più elevata.

I primi componenti statici comparsi sul mercato sono stati i diodi controllati al silicio, denominati appunto SCR (Silicon Controlled Rectifier), il cui impiego risultava ottimale dal punto di vista della potenza, ma limitato dal punto di vista della velocità di risposta; inoltre presentavano difficoltà nel comando.

L’evoluzione tecnologica ha portato allo sviluppo dei transistori di potenza bipolari i quali sono più veloci, ma non raggiungono i valori massimi di potenza degli SCR.

Inoltre presentano una maggiore facilità di comando che risulta però di tipo dissipativo, in quanto provoca un aumento della potenza dissipata dal dispositivo, perché il comando è in corrente.

Si è risolto il problema del comando dissipativo, con l’adozione di POWER MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) che, dispongono di un comando in tensione. I MOS non assorbono corrente in quanto il loro ingresso è simile come comportamento elettrico ad uno strumento elettrostatico. I Power MOSFET, oltreché presentare dei vantaggi dal punto di vista del comando, risultano ancora più veloci dei transistori bipolari, ma presentano limiti di potenza d’uscita inferiori ai bipolari.

Si è giunti così alla realizzazione di una nuova famiglia di componenti gli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), caratterizzati da un comando in tensione e da un’uscita ad elevata corrente, con possibilità di potenza d’uscita superiore ai Power MOSFET.

I convertitori a transistori sono attualmente preferibili, rispetto ai convertitori a controllo di fase con SCR, perché la frequenza di lavoro non dipende dall’alimentazione.

La seguente tabella sintetizza le informazioni principali relative ai componenti di potenza ed evidenzia le caratteristiche ottimali di ciascuno.

Principio di funzionamento dei componenti di potenza

Tutti i componenti di potenza devono essere polarizzati.

Con il termine polarizzazione si intende l’applicazione di una tensione continua (o unipolare) ad un componente elettronico al fine di renderlo operativo e controllabile tramite una grandezza di ingresso (tensione o corrente).

La polarizzazione può essere: 

• Diretta per portare il componente nella condizione di operatività.
• Inversa per portare il componente nella condizione di interdizione.

Nell’esempio:

Durante il primo semiperiodo l’SCR è polarizzato direttamente, durante il secondo inversamente.

La tabella seguente presenta le caratteristiche operative dei principali componenti di potenza:

 Esaminando singolarmente ogni componente possiamo rilevare che: 

Parametri principali per l’interpretazione dei data sheet forniti dai costruttori

I cataloghi di data sheet forniti dai costruttori sono innanzi tutto suddivisi per tipi di impiego (es.: impieghi generali, commutazione, ecc.).

Ogni volume relativo ad un certo tipo di impiego è a sua volta suddiviso in funzione delle potenze.

Si può così facilmente individuare la gamma di componenti che interessa.

La scelta del dispositivo da utilizzare dipende dal particolare tipo di applicazione oppure da fattori quali il costo, la frequenza di commutazione, la potenza da controllare. Vi sono così applicativi per i quali la scelta del componente dovrebbe essere compiuta confrontando direttamente i dati dei vari componenti in concorrenza fra di loro.

Per scegliere il componente specifico è sufficiente tuttavia analizzare due tipologie fondamentali di dati: 

• caratteristiche fisiche e meccaniche del componente (dimensioni, fisionomia esterna, disposizione dei terminali di collegamento);
• valori massimi di funzionamento del componente.

Questi dati vengono sempre forniti ad una temperatura di riferimento di 25°C ed esprimono i valori caratteristici di tensione, corrente, potenza, temperatura e tempo di commutazione, riferiti sia all’ingresso che all’uscita. 

1. valori d’ingresso:

• valore massimo della corrente di comando
• valore massimo della tensione di comando
• valore massimo della potenza dissipabile d’ingresso; 

2. valori d’uscita:

• potenza massima
• valore medio della corrente
• valore massimo della tensione di alimentazione
• tempo di commutazione
• temperatura di funzionamento.

Un esempio:

L’SCR è un componente che lavora preferibilmente in corrente alternata. Pertanto i suoi dati caratteristici sono: 

• la massima tensione diretta controllabile tramite il comando (VDWM max)
• la massima tensione inversa applicabile, senza che il componente subisca danni irreparabili.

L’esempio che proponiamo si riferisce ad un SCR, prodotto dalla Philips, per impieghi di commutazione di potenza.

Presentiamo di seguito le parti costitutive del data sheet relativo all’SCR, evidenziando le caratteristiche fondamentali: 

1. Generalità del componente
2. Caratteristiche elettriche
3. Caratteristiche meccaniche

• Numero di serie del componente: BTY87 (sigla)
• Contenitore metallico TO-48 (tipo di contenitore)
• Applicazione del componente: commutazione di potenza
• La serie comprende componenti a tensione diversificata.

I dati più importanti di questa parte del data sheet sono cerchiati. Essi sono:

VRWM max. = massima tensione inversa di lavoro (valore di picco).

VDWM max. = massima tensione diretta di lavoro, valore di picco alla quale non s’innesca spontaneamente.

ITAV max = corrente continua (anodo catodo), che l’SCR può sopportare in continuazione (valore medio) che deve essere ridotta, con l’aumento della temperatura del contenitore.

Nella figura osserviamo:

• le dimensioni del componente
• la sua fisionomia esterna
• la disposizione dei terminali di collegamento (a – anodo; g – gate; k – catodo).

Configurazioni di convertitori di potenza industriali

Collegando fra di loro i dispositivi statici di potenza, si possono realizzare circuiti amplificatori di corrente adatti al comando di carichi di potenza.

L’adozione di una specifica configurazione circuitale dipende dal carico e dalle particolari prestazioni richieste.

Essi sono i convertitori di potenza.

Il convertitore è quindi un amplificatore di corrente. Esso converte il segnale elettrico di comando in un segnale di potenza.

Le due tipologie fondamentali di convertitori sono: 

• Convertitori a controllo di fase realizzati con SCR
• Convertitori in regime di commutazione a transistori (con tecnica a modulazione di larghezza impulso PWM) realizzati con transistori di potenza bipolari, Power MOSFET, IGBT.

I primi trasformano un segnale alternato in un segnale di valore medio variabile: CA/CC.

I secondi, partendo da un segnale continuo di ampiezza costante, lo trasformano: o in un segnale di valore medio variabile CC/CC o in un segnale alternato di uscita a frequenza variabile CC/CA.

Caratteristica comune ad entrambi i tipi è la bidirezionalità perché la grandezza fisica sotto controllo è sempre bidirezionale.

I convertitori CA/CC sono realizzati sulla base di configurazione circuitali diverse (mono/trifase); la scelta di mono o trifase dipende dalla potenza del carico e dal livello di precisione richiesta.

Schemi di convertitori monofase e trifase a controllo di fase con SCR

MONOFASE
	Configurazione bidirezionale monofase con trasformatore a presa centrale per comando di un motore a C.C.
	Configurazione bidirezionale monofase a doppio ponte di GRAETZ per comando di un motore a C.C.
TRIFASE
		Configurazione bidirezionale a doppia stella trifase per comando di un motore a C.C.
		Configurazione bidirezionale a doppio ponte di GRAETZ trifase per comando di un motore a C.C.

Queste configurazioni convertono l’alimentazione mono – trifase in segnale unidirezionale regolato di uscita, pertanto la bontà del segnale di uscita è limitata dalla frequenza di rete.

Schemi di convertitori in regime di commutazione (tecnica PWM a transistori)

Le configurazioni presentate rappresentano le strutture circuitali più diffuse, basate sull’impiego di transistori.

	Configurazione bidirezionale per comando di un motore a C.C. CC/CC con transitori bipolari.
	Configurazione bidirezionale per comando di un motore a C.A. CC/CA con Power MOSFET

Poiché queste configurazioni lavorano in regime di commutazione è quindi possibile ottenere, tramite comando, un segnale di uscita ad alta frequenza.